計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課程教學(xué)探討

劉清芝 楊愛萍 楊登峰

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院 山東青島 266109)

為了培養(yǎng)化學(xué)專業(yè)學(xué)生掌握與化學(xué)專業(yè)有關(guān)的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，全國許多高等院校的化學(xué)專業(yè)開設(shè)了計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課程。該課程對學(xué)生有很大吸引力，但由于課程中涉及到的一些計算機(jī)代碼或計算機(jī)處理技術(shù)較為枯燥，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往會失去興趣。因而，合理設(shè)計授課內(nèi)容，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，提高學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，在興趣中學(xué)習(xí)掌握知識是應(yīng)該在教學(xué)工作中加以注意的。作者結(jié)合自己在該課程中的教學(xué)實踐，對如何提高該課程教學(xué)效果的途徑和方法進(jìn)行了初步探討。

1 以興趣引導(dǎo)學(xué)習(xí)

“興趣是最好的老師”這句話用于計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用這門課程上是很合適的。作為一門選修課，要讓學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)并掌握課程內(nèi)容，最重要的就是要調(diào)動他們學(xué)習(xí)的興趣，而怎樣調(diào)動他們的興趣則是對教師教學(xué)能力的考驗。作者主要在3方面作了一些工作，實踐證明效果良好。

1.1 授課內(nèi)容與化學(xué)專業(yè)知識緊密結(jié)合

對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)是必修的4大化學(xué)基礎(chǔ)課程，每門課程都能與計算機(jī)的應(yīng)用相關(guān)。例如物理化學(xué)中方程求根、化學(xué)反應(yīng)平衡濃度和平衡常數(shù)的計算等，因為使用了計算機(jī)，精確度和效率都可以得到大幅度提高；又如在分析化學(xué)中，計算機(jī)在一元線性回歸，多元線性回歸，線性擬合等方面有廣泛的應(yīng)用。學(xué)生在化學(xué)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)過程中，掌握了化學(xué)的基本原理以及解決相關(guān)問題的基本方法，對于計算過程復(fù)雜，處理困難的問題，學(xué)生則會采用簡化的模型來處理，但這樣進(jìn)行處理的結(jié)果不會很理想。而若不采用簡化模型，則計算效率低，而且復(fù)雜的計算易引起學(xué)生的厭煩情緒，以后再遇到類似的問題就容易有抵觸心理。

根據(jù)化學(xué)課程對計算機(jī)應(yīng)用的需求，作者在計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課程中安排了以下幾部分內(nèi)容。

1.1.1 C++編程語言

化學(xué)是一門經(jīng)常與數(shù)據(jù)打交道的學(xué)科，離不開方程的求值、數(shù)據(jù)的分析等。例如吉布斯自由能的計算，由于有現(xiàn)成的模型可用，在變量確定的情況下，學(xué)生用計算器即可計算出結(jié)果。但如果模型包含多個變量，且變量不確定，在一定范圍內(nèi)取值，計算量會呈指數(shù)增加。例如：f(x)=(sin2x)e-ay-b|z|(1

f=sin(M_PI*2x/180)*pow(e,-ay)-b*abs(z);

if(f<=0.000001&&f>=-0.000001)

{cout<<"x="<

exit(0);}

為了培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)處理復(fù)雜化學(xué)問題的能力，很有必要讓學(xué)生掌握一門編程語言。學(xué)生掌握了該語言，就具有了一定的駕馭計算機(jī)的能力，處理化學(xué)問題就會更主動，這有助于增強(qiáng)他們的成就感，并調(diào)動他們課后繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

1.1.2 Matlab數(shù)據(jù)處理

與C++語言相比，使用Matlab軟件處理復(fù)雜數(shù)據(jù)時，語言編寫比較簡潔。且Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖形處理能力也為數(shù)據(jù)提供了直觀的表達(dá)方式。例如：已知某待測物質(zhì)濃度依次為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0mol/L，所對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)依次為1.75,2.45,3.81,4.80,7.00,8.60。試求其擬合曲線，并用二維圖形顯示。

圖1 Matlab擬合曲線的二維圖形

這一看似復(fù)雜的問題，用Matlab則用幾條語句就可以解決。

x=[0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0];y=[1.75,2.45,3.81,4.80,7.00,8.60];

p=polyfit(x,y,2);x1=0.5:0.05:3.0;y1=polyval(p,x1);

plot(x,y,‘*r’,x1,y1,‘-b’);y1=polyval(p,x);

擬合結(jié)果為f(x)=0.5614x2+0.8287x+1.1560,所繪圖形如圖1所示。其中polyfit(…)實現(xiàn)的是多項式擬和的功能；而polyval(…)則表示多項式求值；畫圖則只用plot(…)一個函數(shù)來實現(xiàn)即可。其語言的直觀與簡潔讓學(xué)生很容易接受，而其實現(xiàn)的功能卻很強(qiáng)大，這能鼓舞學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

1.1.3 ChemOffice

隨著化學(xué)信息學(xué)的應(yīng)用，化學(xué)信息的數(shù)字表達(dá)變得非常重要。主要包括分子結(jié)構(gòu)式、常用儀器設(shè)備以及反應(yīng)式的繪制；分子結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)基本性質(zhì)和相關(guān)反應(yīng)過程的記錄、查詢等信息管理。對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，很有必要掌握這部分知識。ChemOffice作為一款優(yōu)秀的化學(xué)軟件，包含ChemDraw化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖，Chem3D分子模型及仿真，ChemFinder化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)。能很好地滿足化學(xué)專業(yè)學(xué)生對于化學(xué)信息處理的要求。而分子結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)過程的生動表達(dá)，三維結(jié)構(gòu)的形象顯示也能夠吸引學(xué)生更加積極主動地去學(xué)習(xí)專業(yè)知識。

1.1.4 Origin數(shù)據(jù)管理

Microcal Origin是Windows平臺下用于數(shù)據(jù)分析和項目繪圖的軟件。其數(shù)據(jù)處理功能雖不如Matlab，但對于數(shù)據(jù)的圖形顯示卻很方便，不需要編程實現(xiàn)。其數(shù)據(jù)顯示方式可與Excel通用，方便與Excel交換數(shù)據(jù)。國際上論文的圖形格式很多也以O(shè)rigin為主，故學(xué)生很有必要學(xué)習(xí)Origin數(shù)據(jù)的管理。此功能的實現(xiàn)由于不涉及編程，因而較容易掌握。

1.1.5 Internet中的化學(xué)資源

隨著計算機(jī)的普及以及網(wǎng)絡(luò)時代的到來，很多化學(xué)資源都選擇以網(wǎng)絡(luò)為媒介，通過數(shù)字方式發(fā)行。因此，學(xué)生除了要掌握運(yùn)用計算機(jī)來協(xié)助解決化學(xué)問題外，還需要掌握怎樣通過計算機(jī)來獲得化學(xué)資源以及最新的化學(xué)信息。本課程對網(wǎng)絡(luò)上的一些化學(xué)資源進(jìn)行了介紹，并根據(jù)學(xué)校的現(xiàn)有資源進(jìn)行了詳細(xì)講解。學(xué)生在課后可以立刻付諸應(yīng)用。

1.2 與學(xué)生一起思考

在C++編程語言的學(xué)習(xí)過程中，一系列陌生的代碼讓學(xué)生望而卻步，若在講解過程中單純從語言本身的定義及用法出發(fā)，學(xué)生往往會感覺枯燥無味，難以理解。為避免這種情況，作者在講解過程中采用人性化的語言表達(dá)代碼的含義，與學(xué)生一起思考，一起提出問題，一起解決問題。在講解代碼的時候先闡明代碼實現(xiàn)的效果，然后讓學(xué)生思考實現(xiàn)該效果的方法，在此過程中，逐步引導(dǎo)學(xué)生看代碼，了解每條語句的作用,需要什么語句以及應(yīng)該如何操作等。在提出問題和解決問題的同時，學(xué)生很容易明白為什么做和怎么做，其分析問題和解決問題的能力也隨之提高。另外，與學(xué)生一起思考也包括站在學(xué)生的角度上思考問題。例如：在講指針時，學(xué)生往往難以掌握，作者通過分析和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生難以掌握的主要原因并不在于該部分的內(nèi)容有多難，而是由于學(xué)生認(rèn)識不到指針存在的必要性。作者采用具體的實例程序，通過與數(shù)組的對比來闡明指針的獨(dú)特之處。

1.3 逆向思維調(diào)動學(xué)習(xí)情緒

大學(xué)生對新奇的事物較為敏感。若在講授每部分課程內(nèi)容之前先給他們展現(xiàn)該部分內(nèi)容所能實現(xiàn)的目標(biāo)，則有助于調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性。因此，在每部分內(nèi)容授課前都用幾個實例展示該部分的成果。例如，在開始講解C++前，先舉例用一個程序?qū)崿F(xiàn)pH的計算及數(shù)據(jù)輸入輸出問題；在講解Chemdraw前先展現(xiàn)用Chemdraw畫出的反應(yīng)方程式，反應(yīng)裝置圖等；在講解Matlab前先用實例展示紫外可見分光光度計測出的一系列數(shù)據(jù)的擬合方程和曲線。教學(xué)效果表明，向?qū)W生展示這些實例，有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能主動思考和提出問題。

2 理論聯(lián)系實踐

計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用課程與其他理論課的不同之處在于其所涉及到的內(nèi)容都與計算機(jī)緊密聯(lián)系。若課程的每部分結(jié)束后學(xué)生不能得到及時的練習(xí)，則很容易遺忘。因此,安排一定的上機(jī)時間很有必要。但該課程開課學(xué)時僅有32學(xué)時，課時少而內(nèi)容多。本文作者對于如何安排上機(jī)時間以及上機(jī)內(nèi)容，讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)既能練習(xí)掌握知識，又能保證教學(xué)質(zhì)量這兩方面進(jìn)行了一些探討。

2.1 合理安排上機(jī)時間

教學(xué)實踐表明，與純理論的講授相比，學(xué)生對于“所見即所得” 的事物會表現(xiàn)出較高的興趣。考慮到實踐不但能調(diào)動興趣，而且能更直接地反映學(xué)習(xí)過程中的問題,安排了十幾個學(xué)時的上機(jī)時間。實踐表明，十幾個學(xué)時的上機(jī)時間對需要練習(xí)的內(nèi)容來講顯得有些緊張，大部分學(xué)生還需要在課后補(bǔ)充練習(xí)。為了改善該狀況，作者在每次上機(jī)之前的理論課上都對下次上機(jī)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)講解，并明確告訴學(xué)生上機(jī)的題目和要求，讓學(xué)生課后根據(jù)課堂所學(xué)知識提出相應(yīng)的解決方法。在上機(jī)之前，教師通過網(wǎng)絡(luò)將上節(jié)課的相關(guān)內(nèi)容和本次上機(jī)題目展示給學(xué)生，學(xué)生直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拷貝，可以及時復(fù)習(xí)并參考上節(jié)課內(nèi)容，很快進(jìn)入練習(xí)和問題解決階段，使上機(jī)時間能得到充分利用。

2.2 合理設(shè)計上機(jī)題目

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，作者設(shè)計的上機(jī)題目始終與化學(xué)專業(yè)問題相關(guān)聯(lián)，且難易適中。例如當(dāng)學(xué)生學(xué)完MatLab中的二分法和牛頓法之后，給學(xué)生安排的上機(jī)題目如下：

“一氧化碳與氫按以下反應(yīng)生成甲醇:

現(xiàn)有1mol CO與2mol H2的混合物，在溫度t=590℃，壓力p=3.04×107Pa條件下進(jìn)行反應(yīng)并達(dá)到平衡(Kf=1.393×10-15,Kr=0.43),分別用二分法和牛頓法求CH3OH在平衡氣中的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。”

由于學(xué)生對此類問題的處理較為熟悉，因而上機(jī)積極性很高，學(xué)習(xí)效果很好。

3 結(jié)語

本文對計算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用這門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探討。以“授課內(nèi)容與化學(xué)知識親密接觸”為出發(fā)點(diǎn)，對授課內(nèi)容進(jìn)行了精心的選擇和設(shè)計；并在上機(jī)時間和上機(jī)內(nèi)容兩方面進(jìn)行了合理的設(shè)計安排。教學(xué)實踐證明，在授課過程中與學(xué)生一起思考，并用逆向思維激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，多采用學(xué)生在學(xué)習(xí)中常遇到的問題為實例，能很好地啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及學(xué)習(xí)效率有促進(jìn)作用。